Interaction of atoms with aluminum surfaces

Abstract

Das Erforschen der Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Oberflächen hat auf Grund ihrer Komplexität und der großen Zahl von Anwendungen der auftretenden Phänomene eine lange Tradition in der Wissenschaft. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf einem einzelnen Prozess, nämlich der kinetischen Emission von Elektronen verursacht durch Stöße von langsamen Edelgasatomen mit Elektronen der Oberfläche.<br />In dieser Arbeit modellieren wir vor kurzem durchgeführte Experimente, in denen dieser Prozess untersucht wurde. In der Vergangenheit wurden mehrere Mechanismen vorgeschlagen, um beobachtete Elektronenausbeuten zu erklären. Eine einheitliche und grundlegende Erklärung für diesen Prozess gab es bisher aber nicht, da die meisten Berechnungen auf allzu vereinfachten Modellen des elektronischen Systems der Oberfläche basierten. Wir zeigen, dass zur Erklärung von Elektronenemission durch niederenergetische Projektile eine präzise Impulsverteilung der Elektronen vor der Targetoberfläche nötig ist und präsentieren verschiedene Methoden solch eine Impulsverteilung vor einer Aluminiumoberfläche zu berechnen. Der Einfluss der verschiedenen Impulsverteilungen auf die Elektronenausbeute wird im Rahmen einer klassischen Monte Carlo Trajektoriensimulation untersucht. Die in dieser Arbeit berechneten Impulsverteilungen können die kinetische Emission von Elektronen durch niederenergetische Projektile qualitativ erklären, allerdings macht das Auftreten von spontaner Emission (durch Impulskomponenten mit Energien über der Ionisierungsenergie) eine quantitative Beschreibung schwierig. Ein zweiter für die Simulation der Elektronenemission entscheidender Aspekt ist die korrekte Modellierung der Trajektorie des Projektils in der Wechselwirkungszone. Im Zuge dieser Arbeit haben wir Modellpotentiale für verschiedene Projektil-Oberflächensysteme entwickelt, die mittels experimenteller Daten von Rainbow Streuexperimenten getestet wurden. Rainbow Winkel, die mit diesen Modellpotentialen berechnet wurden, zeigen sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen.<br />

Studies of the interaction of particles with surfaces have a long history in science due to their complexity and the wide range of applications. This work focuses on one particular process, namely kinetic electron emission due to binary collisions between slow rare gas atoms and target electrons. This interaction was studied in detail in a recent experiment which we model in this work. Different mechanisms have been proposed to explain the observed electron emission yield. A fundamental understanding was so far missing as existing descriptions were based on oversimplified models for the target electronic system. We find that description of electron emission at low projectile energies requires an accurate determination of the momentum distributions in front of the target surface. We show different methods to calculate such a momentum distribution above an aluminum surface and compare their influence on the electron emission yield within the framework of a classical trajectory Monte Carlo simulation. The momentum distributions calculated in this work can qualitatively account for kinetic electron emission in the slow projectile regime. The presence of spontaneous emission (due to components "off the energy shell" with energies larger than the ionization energy), however, makes a quantitative description difficult. Furthermore, the emission process sensitively depend on details of the projectile trajectory in the interaction region. We have developed model potentials for the projectile-surface system which are benchmarked with the help of data from rainbow scattering experiments.<br />These model potentials yield good agreement of calculated and measured rainbow angles.